Повторное использование дорожного лома

Повторное применение строительных материалов - тема не новая. По собственному опыту каждый знает, что такое проселочная дорога, укрепленная строительным мусором. Вторичное использование стройматериалов в дорожном строительстве регулируется Законом о замкнутых циклах производства и отходах. Кроме того, вторичное использование вошло в порядок подряда на производство строительных работ, а также стало употребляться в Дополнительных технических договорных условиях и нормах по дорожному строительству. Для утилизации использованных стройматериалов должны существовать технические возможности, которые обеспечивают экологическую совместимость и гарантируют предсказуемые и приемлемые дополнительные затраты. В большинстве случаев данной предпосылке отвечает лишь применение гидравлических связующих, например, цементное укрепление пропитанного смолой дорожного лома, которое в значительной степени позволяет избежать вымывания существенных для окружающей среды компонентов, причем в рамках законных предписаний.

На сегодняшний день повторное использование вторичных стройматериалов в дорожном строительстве с применением или без применения гидравлических связующих стало необходимостью. Важными преимуществами такого использования являются:
• простые и известные в дорожном строительстве технические приемы;
• благоприятные для окружающей среды и безопасные для персонала стройплощадок и жителей способы укладки;
• экономичность и рентабельность;
• выгодные по цене и всегда имеющиеся в наличии связующие вещества;
• неограниченность повторного использования вторичных стройматериалов;
• вредные вещества связываются химико-физическим способом, а также благодаря плотной структуре долгое время защищены оболочкой и не истощают почву;
• длительный срок службы конструкционных слоев.
Гидравлически пригодные вторичные стройматериалы получают из покрытий транспортных дорог, а именно:
• отслуживших дорожных покрытий из бетона;
• демонтируемых асфальтовых покрытий с содержанием или без содержания смолы, а также
• гидравлически связанных или несвязанных несущих слоев.
В зависимости от своего происхождения вторичные стройматериалы могут содержать вредные вещества и иметь различное предназначение.

Повторное использование дорожных покрытий из бетона

Критерии и подготовка

С экономической и технической точки зрения отслужившие дорожные покрытия из бетона являются ценным строительным материалом, из которого можно получить дробленые заполнители / минеральные вещества для различных целей применения в дорожном строительстве. Как правило, дробление покрытий на фракции заданного размера осуществляется непосредственно на месте с последующим измельчением и разделением на фракции зернового состава в подготовительных установках, оснащенных щековыми и ударно-отражательными дробилками.

Рис. 1. Подготовительная установка для вскрытия бетонных покрытий и укрепленного дегтеванного песка с целью повторного использования при изготовлении дорожного бетона или гидравлически связанного несущего слоя

Примеси удаляются в ходе предварительного и промежуточного просеивания. Если отслужившие дорожные покрытия из бетона покрыты тонким асфальтовым слоем или плиты заменены на асфальт, следует считать, что подготавливаемый для бетонной смеси материал может содержать до одной третьей оли асфальта. Материал, перешедший в етон из смежных конструкционных слоев или прилипший при загрузке предварительно размельченного бетона вместе с прихваченной землей, после подготовки в основном скапливается в предварительном сите или примешивается к мелким фракциям зернового состава. Чаще всего промывка мелкого бетонного щебня не требуется.

Характеристика состава материала

Бетонный щебень - это минеральное вещество с содержанием цементного камня. При первично используемых обычных добавках его объемная плотность составляет ок. 2,4 кг/дм. При обновлении гидравлической связи содержание цементного камня оказывает воздействие на сопротивление при сжатии, предел прочности на растяжение при изгибе, усадку и ползучесть, модуль упругости и морозостойкость необходимого конечного продукта. Для дробленого старого бетона требуется большее количество воды и цементного вяжущего.

Применение и технологические требования

Дорожные покрытия из бетона
Бетонный щебень можно повторно применять в качестве добавки для изготовления нижней и верхней конструкции бетонных покрытий. Его свойства уже проверены сроком эксплуатации бетонных покрытий, длящимся, как правило, десятилетиями. Однако прочность конструкционного бетона при сжатии не должна быть ниже 45 Н/мм2, а в среднем превышает 50 Н/мм. Бетонный щебень из бетонных дорожных покрытий, поврежденных в результате реакций износа (напр., щелочная реакция), является непригодным в качестве добавки для новых дорожных покрытий из бетона.
Подготовленная возвратная добавка с фракциями > 2 мм должна соответствовать требованиям Спецификации по вторичному использованию бетона из дорожных покрытий.
Преимущественно она применяется для нижнего слоя бетонного покрытия. В данном случае возвратная добавка может содержать до 10 % асфальта. Если предусмотрено повторное применение в верхнем слое бетонного покрытия, допускается максимальное содержание асфальта в возвратной добавке не более 0,5 % от массы. Зернистые заполнители с фракциями менее 2 мм в любом случае посыпают природным песком.

Рис. 2. Прочность при сжатии несущего гидравлически связанного слоя, изготовленного из разных исходных материалов в зависимости от содержания цемента   Содержание цемента [% по весу] (PZ 35 F)

Необходимые прочностные свойства должны соответствовать требованиям норм ZTV Beton-StB. Тип и минимальное количество цемента, а также доля мелкого песка определяются согласно предписаниям. Для бетонного щебня необходимо учитывать и после процесса укладки задавать больший расход воды. Минимальное содержание воздуха свежеприготовленной бетонной смеси должно составлять 4,5-5,0 % от объема.

В процессе укладки возвратного бетона не возникает каких-либо трудностей с уплотнением, сцеплением с верхним слоем или выполнением швов. Производственные убытки отсутствуют.

Гидравлически связанные несущие слои

Возвратные стройматериалы хорошо подходят для изготовления гидравлически связанных несущих слоев, соответствующих нормам ZTVT-StB. Если в подготовленный старый бетон вместо гравийно-песочной смеси одинакового гранулометрического состава добавляют 0/32 мм, уплотненная строительная смесь обнаруживает большее общее количество пустот при той же плотности.
Если в ходе испытания на соответствия заданным требованиям доля связующего вещества по сопротивлению при сжатии устанавливается на 7-12 Н/мм² (смотри также рис. 2), прочностные характеристики и деформируемость гидравлически связанных несущих слоев с бетонным щебнем соответствуют таким же характеристикам гидравлически связанных несущих слоев, изготовленных из гравийно-песочной смеси. Если зерновой состав 0/2 мм не заменяется природным песком и смесь заполнителей содержит старый асфальт, при содержании цемента 4,5-8 % от массы можно гарантированно получить указанное сопротивление при сжатии. При повышении содержания цемента увеличивается степень усадки гидравлически связанного слоя, которая во избежание раскрывающихся трещин должна возникать при выполнении надрезов на несущем слое. В любом случае при проведении испытания на соответствие заданным требованиям необходимо проверять морозостойкость.

Изготовление и укладка гидравлически связанных несущих слоев из дробленого старого бетона производится в соответствии с нормами ZTVT-StB. Наиболее благоприятной влажностью при укладке с учетом возрастающей впитывающей способности смеси минеральных веществ является влажность примерно на 1 % ниже оптимального значения по Проктору. Строительная смесь подготавливается методом смешивания в центральной смесительной установке и укладывается, как правило, бетоноотделочной машиной. Сразу после изготовления на гидравлически связанный несущий слой может наноситься тонкое асфальтовое покрытие. В остальных случаях, как минимум, в течение трех дней несущий слой подвергают влажной обработке посредством водного распыления или разбрызгивания.
Точно также из возвратных стройматериалов бетона с применением цемента могут изготавливаться укрепления. При этом повторно используют всю возвратную смесь минеральных веществ. Бетонный лом подготавливается в передвижных установках непосредственно на месте, и кладка укреплений производится общеизвестным способом. Здесь важно проследить, чтобы краевые зоны также были хорошо перемешаны и уплотнены. Во избежание образования трещин на несущем слое выполняют надрезы минимальной глубины 35 % от толщины слоя.

Несущие слои без связующих веществ

Конструкционный бетон, неподходящий для гидравлически связанных строительных смесей, может использоваться в несущих слоях без связующих веществ. Такой слой изготавливается как щебеночный несущий слой с максимальным размером зерна 32 мм. Дополнительные требования ARS №37/1997 призваны повысить надежность исполнения и наряду с нормами ZTVT-StB гарантируют стабильность перераспределения, водопроницаемость и однородность структуры. Поэтому содержание минеральных веществ < 0,063 мм в готовом состоянии кладки не должно превышать 5 % по весу, содержание песка < 2,0 мм должно составлять 28 ± 5 % по весу, а дробленого песка необходимо использовать больше, чем природного песка. При испытании на соответствие заданным требованиям CBR- показатель при определении строительной смеси 0/22 мм без фракций избыточной крупности через четыре часа выдержки в воде должен составлять > 80 %.
Конструкция «толстого бетонного покрытия (30 см) на несущем слое без связующих веществ (минимальная толщина 30 см)» применяется уже около десяти лет. Полученные до сих пор результаты позволяют ожидать весьма длительного срока эксплуатации. Морозозащитные слои / заполнение / засыпка
Для морозозащитных слоев, изготавливаемых по нормам ZTVT-StB, а также для заполнений и засыпки, осуществляемых по нормам ZTVE-StB, принимается только материал, полученный в процессе предварительного просеивания, зерновой состав с размером фракций 0/4 мм или бетонный лом с содержанием хлористых соединений, который не подходит для указанных выше целей применения. Использование высококачественного бетонного щебня для морозозащитных слоев, заполнения и засыпки с точки зрения максимально ценного повторного применения является исключением.

Применение конструкционного асфальта с гидравлическими связующими

Получение и критерии
В Германии в ходе ремонтных строительных работ ежегодно демонтируется около 10 млн. битумных связующих и частично смолистых конструкционных дорожных материалов. Это больше, чем может быть использовано для строительства асфальтовых дорог. Чтобы сократить количество отходов, которые в противном случае подлежат депонированию, необходимо использовать конструкционный асфальт с гидравлическими связующими в несущих слоях верхней конструкции. Возвратная смесь минеральных веществ в данном случае может на 100 % состоять из асфальтового гранулята. Повторное использование конструкционного асфальта на цементной основе требует изготовления соответствующего по зерновому составу асфальтового гранулята. Асфальтовый гранулят получают посредством фрезерной обрезки существующих дорог или в процессе измельчения предварительно разломанных асфальтовых пластов преимущественно зимой. Гранулят представляет собой смешанный продукт из поверхностного, связующего и асфальтового несущих слоев (дегтеванного песка), имеющих в своем составе как минеральные вещества, так и битумные и смолистые материалы. В зависимости от получения и подготовки асфальтовые грануляты различают по гранулометрическому составу 0/45 мм. Содержание минеральных веществ при первоначальной укладке соответствует требованиям норм TL Min-StB.

Рис. 3. Полное вымывание полициклических ароматических углеводородов в элюате, мг/л (слева) или в сухом веществе, мг/кг (скорость вымывания) нефильтрованного элюата дегтеванного песка (DEV S) и упроченного дегтеванного песка (расходомерное оборудование)

Однако в ходе дистилляционных и окислительных процессов содержание связующих веществ претерпело изменения. Если связующее вещество содержит смолистые вещества, то присутствующие в смеси водорастворимые полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и фенолы оказывают сильное воздействие на окружающую среду. Оба эти влияния ограничивают или препятствуют повторному использованию горячего битума, но при этом допускают неограниченную гидравлическую утилизацию с обеспечением экологически безвредных свойств в течение длительного времени.

Конструктивные критерии материала

Если асфальтовый гранулят достаточного гранулометрического состава смешивается с цементом из расчета 4-10 % от массы и уплотняется при оптимальной по Проктору влажности, по истечении 28 дней строительная смесь, как правило, обнаруживает прочность и морозостойкость, соответствующие требованиям норм ZTVT- StB для гидравлически связанных слоев. Меньшая усталостная прочность природных минеральных веществ по сравнению с гидравлически связанным слоем более чем уравновешивается сопоставимо высоким пределом прочности на растяжение при изгибе, поэтому они могут функционировать при одинаковых нагрузках и одинаковой конструкционной толщине. Асфальтовые слои, для которых под воздействием температур характерно уменьшение модуля упругости и временного сопротивления при сдвиге, в гидравлически упроченных несущих слоях с асфальтовым гранулятом практически не встречаются. Влияние доли связующих веществ и строительного раствора превалируют над воздействием, которое оказывает тип или форма зерновых заполнителей.
Если в асфальтовый гранулят примешивают щебень или дробленый песок из подготовленного старого бетона или полностью заменяют мелкозернистые фракции на природный песок, указанные характеристики будут еще лучше.
Наряду с соблюдением механических параметров следует также избегать возможного загрязнения окружающей среды смолистыми составляющими, возникающими
в результате гидравлического упрочнения цементом или возвратным связующим веществом.

Загрязнение окружающей среды вредными веществами. Соединение вредных веществ

Загрязнение окружающей среды в результате влияния смолистых составляющих конструкционного асфальта возникает по причине растворимости в воде полициклических ароматических углеводородов и фенолов, а также из-за высвобождения полученных из материалов взвесей, которые наносят вред преимущественно после вымывания этих вредных веществ. Во избежание нанесения ущерба окружающей среде требуется последовательная минимизация суммарного вреда, как от доли растворимых загрязнителей, так и от соединяющихся во взвесях вредных веществ.
Гидравлическое соединение представляет собой великолепную возможность существенно и на длительное время снизить количество имеющихся вредных веществ в ходе ионообменных процессов, путем уменьшения адсорбции и растворимости, а также фиксированным применением имеющихся водных растворов вредных веществ. Благодаря гидравлическому связующему веществу полициклические ароматические углеводороды настолько прочно соединяются, что в окружающую среду они испускаются лишь в незначительных концентрациях. Фенолы напротив не только химически не соединены с цементным камнем, но и не адсорбируются физически. Тем не менее, достаточно высокая сопротивляемость вымыванию достигается благодаря структуре соответствующей плотности, которая может быть получена при коэффициенте водопроницаемости затвердевших упроченных слоев менее k = 10 ^-9 м/с.
Сохраняющиеся возможности нанесения вреда необходимо проверять во всех областях применения. Опасность определяется предельными значениями, действующими в каждом случае применения, напр., в земле Гессен для фундаментных слоев установлен индекс фенола < 0,10 мг/л и содержание полициклических ароматических углеводородов < 0,003 мг/л. При этом на определение имеющихся и сохраняющихся в случае применения опасностей от вредных веществ существенно влияют прикладные методы анализа. Метод измерений должен, прежде всего, включать в себя данные по соединению вредных веществ в готовом состоянии кладки (особенно, если вода с растворимыми вредными веществами практически не может проникать через строительную конструкцию).
В случаях соединения при помощи гидравлического вяжущего материала, т.е. гидравлически связанного несущего слоя, возможность нанесения вреда окружающей среде уменьшается (смотри пример на рис. 3). Из шести полициклических ароматических углеводородов, подлежащих проверке согласно предписанию по подготовке питьевой воды, в ходе другого исследования в мелком щебне, обработанном дегтем, с упрочнением всего 6 % по весу цемента флуорантен в элюате может быть определен всего на 0,2мг/л. Допустимые индексы фенола также могут быть значительно ниже. Из неизмельченных образцов вымывается только от 00,3 до 0,004 мг/л.

Рис. 4. Обновление асфальтовой дороги: фрезовой возвратный материал, укладываемый способом смешивания на месте

Применение и технологические требования

Гидравлически связанные несущие слои и фундаментные основания
Асфальтовые грануляты могут применяться в соответствии с нормами ZTVT-StB как в гидравлически связанных несущих слоях, так и для укреплений. Допустимая в несущих слоях доля конструкционного асфальта в отдельных федеральных землях не стандартизирована.

Таблица 1. Пример состава фундаментного слоя толщиной 18 см (трасса А 66 в Висбадене)

В качестве связующего вещества допускаются цементы, соответствующие DIN 1,164 и возвратные связующие вещества. Наиболее благоприятная влажность укладки примерно на 1 % ниже оптимального значения по Проктору. При укладке вредных для окружающей среды веществ необходимо следить за тем, чтобы смесь уплотнялась, как минимум до сухой объемной плотности, которая в ходе испытания на соответствие заданным требованиям обнаруживает коэффициент k < 10^-9 м/с.

Во избежание образования отражательных трещин, в несущем слое делают надрезы. Несущие слои с гидравлическими связующими несколько дней обрабатывают водным распылением или разбрызгиванием либо сразу покрывают асфальтовым покрытием.
В некоторых федеральных землях (например, в Баварии, Гессене) конструкционные асфальты повторно применяются в «фундаментных слоях». Гидравлически связанный фундаментный слой располагается под несущим слоем и частично или полностью заменяет морозозащитный слой. В гидравлически связанных фундаментных слоях может повторно использоваться до 100 % от массы конструкционного асфальта (включая смолистый материал). Сопротивление при сжатии в возрасте 28 суток в основном 22 ограничивается 8 Н/мм2 (вместо 5 Н/мм2 после семи дней, требуемой для испытания на соответствие заданным требованиям). При этом цементное содержание составляет ок.7 % по весу.

Фрезовой возвратный материал

Возвратный материал, снимаемый фрезерованием с отслуживших асфальтовых дорог и трасс, иногда включая несущий слой, полностью повторно укладывается на месте.
Принцип данного метода, который был разработан в США и уже более десяти лет применяется в Европе, заключается в том, что верхняя конструкция сфрезеровывается, а распределение зернового состава вскрытого несущего и поверхностного слоя в случае необходимости оптимизируется таким образом, чтобы получилась хорошо уплотняемая и устойчивая смесь минеральных веществ. Для длительного упрочнения смеси минеральных веществ добавляют гидравлическое связующее вещество (ок. 100 кг/м3). Заданное сопротивление затвердевшей строительной смеси при сжатии составляет прим. 8 Н/мм².
Как правило, используют два метода. При первом дорожное покрытие сначала измельчают и затем снова немного уплотняют еще до насыпания и примешивания цемента, что позволяет лучше контролировать и проще корректировать кривую ситового анализа упрочняемой смеси. При еще более простом методе требуемые в зависимости от обстоятельств «недостающий» зерновой заполнитель и цемент рассыпают непосредственно на асфальтовую дорогу. Затем фрезой взламывают всю верхнюю конструкцию дороги на глубину до 30 см и перемешивают минеральные вещества со связующим веществом при одновременном добавлении воды. Перед уплотнением строительной смеси катками верхнюю поверхность выравнивают и профилируют грейдером. Поверхность дороги необходимо сохранять во влажном состоянии, как минимум, 7 дней. Но обычно также распыляется контактный клей и рассыпается щебень (смотри рис. 4).
При укладке фрезового возвратного материала запуск транспорта по отремонтированной дороге можно производить сразу, если к поверхности не предъявляются слишком высокие требования (сельские, второстепенные дороги). С целью улучшения поверхностных свойств может наноситься тонкий асфальтовый слой.
Особым преимуществом данного способа служит то, что все повторно используемые дорожные материалы присутствуют непосредственно на месте. При этом практически отпадает необходимость в транспортировке материалов, которая наносит ущерб окружающей среде. Данный метод весьма экономичен.

Повторное использование связанных и несвязанных несущих слоев

Критерии

При обновлении отслуживших дорог верхняя конструкция верхней кладки остается на месте. В зависимости от нагрузки она усиливается новыми слоями или покрывается. При сильном повреждении связанных или несвязанных конструкционных слоев под действием воды необходимо обновление грунта в нижней кладке. По возможности используются строительные материалы изношенных слоев. При этом они могут быть необогащенными или в зависимости от новой цели применения подвергаться предварительной подготовке.

Применение

Строительные материалы используются повторно с максимальной выгодой, напр., в несущих слоях с гидравлическими связующими. Для этого они должны соответствовать нормам TL Min-StB и der ZTVT-StB. Те же требования часто предъявляются и к несвязанным несущим слоям из гравия, песка, щебня и мелкокускового материала, а также, как правило, к гидравлически связанным несущим слоям. В большинстве случаев предварительная подготовка дорожного лома представляется целесообразной. Используемые повторно строительные материалы должны обладать достаточным постоянным объемом и не могут содержать в себе вредных примесей.

Требования, предъявляемые к строительной смеси

Требования, предъявляемые к стройматериалам и строительной смеси, изложены в нормах ZTVT-StB. Состав смеси и содержание гидравлического связующего вещества определяются в ходе испытания на соответствие заданным требованиям. При этом важным критерием является морозостойкость.
Как правило, применяются цементы, соответствующие DIN 1164, связующие несущих слоев, соответствующие DIN 18 506, или равноценные вяжущие материалы, допущенные стройнадзором, класса прочности 32,5. Преимуществом могут обладать водоотталкивающие цементы. Содержание воды при укладке задается таким образом, чтобы достигалась применяемая сила уплотнения. В большинстве случаев наиболее благоприятная влажность при укладке соответствует показателю на 1 -2% ниже оптимального значения по Проктору.

Рекомендации по исполнению

В зависимости от местных особенностей строительная смесь изготавливается методом смешивания на месте или методом центрального смешивания. При укладке слоев толщиной до 20 см обычно выбирают метод смешивания на месте. При более толстых слоях в целях достижения лучшей однородности смеси выгоднее использовать метод центрального смешивания. Кладка строительной смеси может производиться укладчиками или грейдерами. Для уплотнения на выбор или в сочетании используются катки на пневматических шинах, виброкатки или вибраторы для больших площадей. При частичной укладке шероховатость поверхности можно придавать уже на уплотненном, но еще свежем упрочнении, до нанесения следующего слоя. Как и для всех гидравлически связанных конструкций независимо от того, используются строительные материалы повторно или впервые, несущие слои с гидравлическими связующими подлежат последующей обработке, лучше всего водным распылением тонкой струей. Насечки выполняются на готовом несущем слое.